標籤:玻璃

金屬玻璃又稱非晶態合金, 它既有金屬和玻璃的優點, 又克服了它們各自的弊病.如玻璃易碎, 沒有延展性.金屬玻璃的強度卻高於鋼, 硬度超過高硬工具鋼, 且具有一定的韌性和剛性, 所以, 人們讚揚金屬玻璃為「敲不碎、砸不爛」的「玻璃之王」.

1簡介

在大多數人想到玻璃時,玻璃板的概念便迅速躍人我們的腦海中。但在一定的條件下,金屬也能做成玻璃,例如:這種玻璃可作為電力變壓器和高爾夫球棍的理想材料。巴爾的摩港,約翰斯·霍普金斯(Johns Hopkins)大學研究員Todd C. Hufnagel正在研究一種生產超強,富有彈性和磁性特點的金屬玻璃的方法。Hufnagel希望了解,金屬玻璃形成時,發生溶化金屬冷卻成固體時的金相轉變。
對科學家來講,玻璃是任何能從液體冷卻成固體而無結晶的材料。大多數金屬冷卻時就結晶,原子排列成有規則的形式稱作晶格。如果不發生結晶並且原子依然排列不規則,就形成金屬玻璃。
不象玻璃板,金屬玻璃不透明或者不發脆,它們罕見的原子結構使它們有著特殊的機械特性及磁力特性。普通金屬由於它們晶格的缺陷而容易變形或彎曲導致永久性地失形。對比之下,金屬玻璃在變形后更容易彈回至它的初始形狀。缺乏結晶的缺陷使得原鐵水的金屬玻璃成為有效的磁性材料。

2生產工藝

在國家科學基金和美國軍隊研究總局的支助下,Hufnagel已建立了試驗新合金的實驗室。他試圖創建一種在高溫下將依然為固體並不結晶的合金金屬玻璃,使它能成為發動機零件有用的材料。該材料也可用於穿甲炮彈等軍事場合。不象大多數結晶金屬炮彈,在衝擊后從平的形狀變為蘑菇形狀,Hufnagel相信;金屬玻璃彈頭的各邊將轉向並給出最好穿透力的削尖射彈。
製造厚的、笨重形狀的金屬玻璃是困難的,因為大多數金屬在冷卻時會突然出現結晶現象,製造玻璃,金屬必會變硬,因為晶格成形時會改變,從純金屬——諸如銅、鎳去創建玻璃,它將以每秒鐘一萬億攝氏度的速率下冷卻。

3發展簡史

金屬玻璃的出現可以追溯到20世紀30年代,Kramer第一次報道用氣相沉積法製備出金屬玻璃,在1950年,冶金學家學會了通過混入一定量的金屬——諸如鎳和鋯一去顯出結晶體,1960年,美國加州理工學院的Klement和Duwez等人採用急冷技術製備出Au75Si25金屬玻璃。當合金的薄層在每秒一百攝氏度的速率下冷卻時,它們形成金屬玻璃。但因為要求迅速冷卻,它們只能製造成很薄的條狀物、導線或粉末。
最近,科學家通過混合四到五種不同大小原子的元素,去形成諸如條狀的多種多樣的金屬玻璃。變化原子大小使它混合而形成玻璃從而變得更韌。這些新合金的用途之一是在商業上用來製造高爾夫球棍的頭。

4成分結構

大部分的金屬在冷卻時都會結晶,把它們的原子排列成有規則的圖案,叫做格構 (lattice)。但如果結晶不出現,原子便會隨機排列(random arrangement),成為金屬玻璃 (metallic glass)。
普通玻璃的原子也是隨機排列,但它不是金屬。金屬玻璃並不透明,它擁有獨特的機械 (mechanical)和磁性(magnetic)特質,不易破碎和不易變形 (deform)。它是製造變壓器、高爾夫球棒和其他產品的理想物料。
目前生產的金屬玻璃是較薄和較細的,因為金屬冷卻時很快便會結晶,所以需要非常快的冷凍。美國約翰斯鶴健士大學(John Hopkins University)的研究員何納喬(Todd Hufnagel),正研究如何生產有超級強力、彈力和磁力特質,但是較為大塊的金屬玻璃。這種新的金屬會保持固體而不會在高溫下結晶,這將會適於製造引擎零件及軍用武器。
用鐵造的金屬玻璃是很好的磁性物質,而且由於加熱后便變得柔軟,容易鑄造成不同形狀的製成品。
圖中所見是何納喬利用感應熔爐 (induction furnace) ,很快的將金屬混合物溶化,變為金屬玻璃 。
金屬玻璃科學家

  金屬玻璃科學家

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